Ultraljudsbestrålning som förbehandling för reduktion av

Fenton-oxidation, där starkt reaktiva hydroxylradikaler bildas från väteperoxid med tvåvärt järn som katalysator, är en metod som minskar slammängden från avloppsvattenreningen. Effekten av en förbehandling med ultraljud innan oxidationen visade sig vara effektiv både vad gäller slamreduktion och driftskostnader.

Av: Bengt Andersson

Hantering av slam från avloppsvattenreningen är kostsam och problematisk och det finns många incitament för att minska producerade slammängder. Det finns många metoder för detta och några har tillämpats i praktiken. Slamreduktion går oftast ut på att bryta ned cellväggarna så att en nedbrytning av det organiska materialet kan genomföras på biologisk väg. Sönderdelningen av cellväggarna kan ske på mekanisk, termisk, kemisk och mikrobiologisk väg eller genom bestrålning av ultraljud.

Fenton-oxidation är en process där hydroxylradikaler bildas från väteperoxid med tvåvärt järn som katalysator. Hydroxylradikaler är starka oxidanter som kan sönderdela och mineralisera det organiska materialet i överskottsslammet till vatten och koldioxid utan några biprodukter. Processen kräver att pH-värdet är lågt för att undvika järnutfällning. Om slammet kan sönderdelas före Fenton-reaktionen kan behandlingen göras mera effektiv till lägre kostnad. Ultraljud kan vara en sådan förbehandlingsmetod.

Syftet med refererad studie är att värdera effekten av ultraljud som förbehandling för att intensifiera sönderdelningen av slammet genom Fenton-oxidation och att klargöra effektiviteten vid en kombinerad behandling med ultraljud och Fenton-oxidation.

Genomförande av undersökningen

Samtliga försök genomfördes i laboratorieskala vid rumstemperatur. Överskottsslam togs från eftersedimenteringsbassängerna vid Nanshan avloppsreningsverk i Kina. Slammets pH-värde uppgick till cirka 6,5. Halten av olika parametrar i slammet uppgick i genomsnitt till 180 mg/l för COD, 8340 mg/l för total-COD, 7,6 mg P/l för totalfosfor, 8500 mg/l för MLSS och 5900 mg/l för MLVSS.

Ultraljudsbehandlingen genomfördes i en generator vid frekvensen 20-25 kHz. Ett spann av effekter (0, 0,2, 0,4, 0,6 och 0,8 W/ml) och en serie av behandlingstider (0, 5, 10, 15 och 20 minuter) värderades för att optimera förhållandena. Initial slamkoncentration (MLSS) varierades mellan 0, 1000, 4000, 8000 och 12000 mg/l för att bestämma slamhaltens effekt på sönderdelningen.

Optimering av Fenton-behandlingen genomfördes med en initial koncentration av H₂O₂ uppgående till 0, 3, 6, 9, 12 resp. 15 mg/l och doseringen av Fe²⁺ uppgick till 0, 20, 40 och 60 mg/l i de olika försöken. pH justerades till 2, 3, 4 och 5 i försöken.

Efter behandlingen luftades slammet för bestämning av slamreduktionsgraden.

Analyser gjordes med avseende på pH, COD, totalfosfor, MLSS och storleksfördelning av partiklar. Slammet mikroskoperades före och efter behandlingen.

Resultat

Effekten av slammets sönderdelningsgrad uttrycktes i form av storleksfördelningen av slampartiklarna. Partikelstorleken för obehandlat slam var jämnt fördelad mellan 4,62 och 88 mm.

Effekten av behandlingstid, effekt för ultraljudsgeneratorn och slamhalt vid ultraljudsbehandlingen bestämdes inledningsvis. Effekten av behandlingen medförde att partikelstorleksfördelningen blev snävare. Försök med olika behandlingstider visade att storleksfördelningen minskade till mellan 5,5 och 7,78 mm och att behandlingstider över 10 minuter inte hade någon effekt på resultatet. Storleksfördelningen vid försök med olika effekt för ultraljudsgeneratorn låg mellan 4,62 och 7,78 mm och en effekt över 0,4 W/ml gav ingen förbättring. Slamhalten vid ultraljudsbehandling hade en påtaglig inverkan på resultatet, där högre slamhalter gav en sämre sönderdelning. En slamhalt högre än 1000 mg/l gav försämrad effekt.

Fenton-oxidation erfordrar dosering av H₂O₂ och Fe²⁺ och bestämning av minsta dosering för att uppnå ett bra resultat undersöktes. H₂O₂-doseringen varierades mellan 0 och 15 mg/l vid en Fe²⁺-dosering av 40 mg/l. COD-halten efter behandlingen bestämdes och råslammets COD-halt ökade från 180 mg/l till cirka 4000 mg/l vid en dosering av 9 mg/l. Över denna dosering uppnåddes ingen påtaglig förändring av COD-halten. Effekten av Fe²⁺-doseringen undersöktes för doseringar mellan 0 och 60 mg/l med en H₂O₂-dosering av 9 mg/l. Bästa resultat uppnåddes vid en dosering av 40 mg/l. Tiden för Fenton-reaktionen påverkar även resultatet. Resultaten visade att COD-halten ökade snabbt under de första 15 minuterna och var därefter stabil under resterande tid av försökets 120 minuter. H₂O₂-förbrukningen steg fortfarande upp till 90 minuter, vilket innebär att reaktionstiden bör vara 90 minuter. pH är viktigt vid Fenton-oxidationen och fyra nivåer testades (pH 2, 3, 4, och 5). Sönderdelningen var större om pH-värdet var lägre än 3.

En jämförelse mellan enbart Fenton-oxidation och en kombination med ultraljud och Fenton-oxidation visade att sönderdelningen av slammet var mer effektiv med kombinationen, där 93 % av partiklarna fanns i området 4,6 till 18,5 mm jämfört med 75 % i området 7,18 till 31 mm vid enbart Fenton-oxidation. Genom kombinationen ökade COD-frigöringen med 52 %, fosforutlösningen med 27 % och H₂O₂-förbrukningen med 20 % i jämförelse med enbart Fenton-oxidation.

Den genomsnittliga COD-reduktionen vid luftning av det behandlade slammet under 1 dygn uppgick till knappt 80 %, vilket visade att slammet hade en bra nedbrytbarhet. Reduktionen av slammängden uppgick till 64 % vid den kombinerade behandlingen och till 27 % vid enbart Fenton-oxidation. Driftkostnaderna per mängd reducerat slam minskade med drygt 50 % genom den kombinerade behandlingen på grund av att reduktionen av slammängden var så mycket större.

Slutsatser

Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:

Källa: S. Qiu, M. Xia, Z. Li. Ultrasonic irradiation as pretreatment for the reduction of excess sludge by Fenton-acclimation treatment. Water Science & Technology 67.8 (2013) pp 1701 – 1707.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.